[发明专利]一种增强轨道霍尔效应和逆轨道霍尔效应的方法及应用

说明书

本发明提供了一种增强轨道霍尔效应和逆轨道霍尔效应的方法及应用，其技术要点在于：利用重金属的强自旋‑轨道耦合作用，实现自旋流‑轨道流的转换，增强轨道霍尔效应和逆轨道霍尔效应，提高轨道霍尔效应或逆轨道霍尔效应效率。采用本申请的一种增强轨道霍尔效应和逆轨道霍尔效应的方法及应用，以促进低成本、高稳定性、工艺简单且有利于工业化的新型轨道电子学存储逻辑器件和太赫兹发射源的开发和推广。

技术领域

本发明涉及于轨道电子学存储逻辑器件领域，更具体地说，尤其涉及一种增强轨道霍尔效应和逆轨道霍尔效应的方法及应用。

背景技术

轨道霍尔效应可将电荷流转换成轨道流，类似于自旋霍尔效应将电荷流转换成自旋流。在铁磁/非磁异质结中，非磁材料中轨道霍尔效应产生的轨道流可通过铁磁层中自旋-轨道耦合作用，将轨道流转换成自旋流，从而实现轨道矩对铁磁层磁矩的翻转，类似于自旋霍尔效应产生自旋-轨道矩对磁矩的翻转作用。

但是，相比于自旋霍尔效应，轨道霍尔效应具有巨大的优势。自旋霍尔效应通常需要依赖于重金属或者拓扑绝缘体材料的强自旋-轨道耦合作用才可以实现，而轨道霍尔效应在弱自旋-轨道耦合效应材料中就可以实现，比如轻金属及其氧化物、氮化物。

但是，在铁磁/非磁异质结中，基于轨道霍尔效应实现铁磁层磁矩的翻转，需要借助铁磁层的自旋-轨道耦合作用，将弱自旋-轨道耦合效应非磁层中产生的轨道流转换成自旋流，所以其依赖于铁磁层的轨道-自旋流转换效率。

而由于铁磁层较弱的自旋-轨道耦合作用，其轨道-自旋流转换效率也较低。逆轨道霍尔效应是轨道霍尔效应的逆过程，其在铁磁/非磁异质结中实现经历自旋流-轨道流-电荷流转换，所以其效率也受到铁磁层中轨道-自旋流转换效率的影响。

因此，提高轨道霍尔效应或逆轨道霍尔效应效率的关键是寻找有效方式提高轨道-自旋流转换效率，插入强自旋轨道耦合材料有望实现轨道-自旋流转换效率的提高。

提高轨道霍尔效应或逆轨道霍尔效应效率便有望实现低成本轻金属及其氧化物、氮化物的应用，这对于新型轨道电子学存储逻辑器件和太赫兹发射源都具有重大的意义。

发明内容

发明旨在提供一种增强轨道霍尔效应和逆轨道霍尔效应的方法及应用，其具有有效实现轨道霍尔效应和逆轨道霍尔效应增强，且低成本、高稳定性、工艺简单且有利于工业化等众多优点。

本发明的技术方案是：

一种增强轨道霍尔效应和逆轨道霍尔效应的方法，利用重金属的强自旋-轨道耦合作用，实现更高效率的自旋流-轨道流的转换，从而增强轨道霍尔效应和逆轨道霍尔效应，提高轨道霍尔效应或逆轨道霍尔效应效率。

一种增强轨道霍尔效应和逆轨道霍尔效应的方法，通过磁控溅射方法在单晶基片上制备“铁磁层-重金属层-轻金属层-保护层”异质结；

其中，单晶基片为Al₂O₃或MgO；

其中，铁磁层为薄膜，其采用Co、Fe、Ni、NiFe、CoFeB中的任意一种；

其中，重金属层为薄膜，其采用W、Pt、Ta、Au、Pd中的任意一种；

其中，轻金属层为薄膜，其采用Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu中的任意一种；

其中，保护层为薄膜，其采用MgO或Al₂O₃。

进一步，铁磁层、轻金属层、重金属层和保护层的厚度分别为2、4-100、2和5nm。

进一步，控制各层的生长顺序：首先生长铁磁层薄膜，进而生长重金属层薄膜，进而生长轻金属层薄膜，最后生长保护层薄膜。

进一步，控制各层的生长顺序的工艺参数为：